沈陽,才曉溪,賈博為,孫明哲,周伍紅,楊珺凱,胡冰霜,孫曉麗
(黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院/作物逆境分子生物學實驗室,大慶 163319)
土地鹽堿化嚴重威脅我國乃至世界農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的正常發(fā)展,全世界約20%的可耕種地和50%的灌溉地受鹽堿化影響。中國東北松嫩平原是世界三大鹽堿地之一,鹽堿地面積高達370 多萬hm2。因此,土地鹽堿化嚴重制約了我國東北地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn),限制了糧食產(chǎn)量。隨著我國人口的持續(xù)增長和可耕種土壤的退化,合理開發(fā)利用鹽堿地是增加我國糧食產(chǎn)量的重要舉措,也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。
作為固著的、不可移動的生命有機體,植物在長期的進化過程中,形成了一系列的應對外界脅迫的機制。如何維持胞內(nèi)外離子平衡是植物應對外界逆境的關(guān)鍵。陽離子質(zhì)子逆向轉(zhuǎn)運蛋白(CPA,cation proton antiporter)作為不同單價陽離子外流耦合器[1],通過減少Na+內(nèi)流,促進其外流及區(qū)隔化,保證胞質(zhì)內(nèi)較低的Na+含量,參與植物對外界逆境脅迫的應答[2]。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系,CPA 家族分為CPA1 和CPA2 兩個亞家族。其中CPA1 亞家族包括研究的較為透徹的NHX 家族,而CPA2 家族包括KEA(K+-efflux antiporter)和CHX(cation/H+exchanger)[3],并且CPA2 主要存在于細菌、真菌和植物中[4]。關(guān)于植物CHX 基因家族的研究近年來才逐漸開展。迄今發(fā)現(xiàn)的CHX 蛋白都有約800 個氨基酸,包括N 末端約400 個氨基酸的疏水性Na+/H+交換器以及C 末端約300~400 的親水性結(jié)構(gòu)域。
植物CHXs 家族成員數(shù)目眾多,擬南芥有28 個,水稻有17 個,而大豆中則有46 個[3]。目前對CHXs 的研究多集中在基因表達和功能鑒定方面。例如AtCHX13 基因與K+攝取密切相關(guān),chx13 突變體植株對低K+敏感[5]。AtCHX14 參與調(diào)節(jié)K+平衡及K+循環(huán)再利用[6]。AtCHX17 基因表達受高鹽、低K+誘導,缺K+時chx17 突變體根部K+含量減少[7-9]。AtCHX20 參與氣孔保衛(wèi)細胞運動[10]。
雖然目前研究已證實CHXs 在植物生長發(fā)育及逆境應答中的功能,但尚未明確其應答機制,對CHXs 互作蛋白的研究也鮮有報道。課題組前期從野生大豆中鑒定出一個耐鹽堿基因CHX19.3,并利用酵母雙雜交技術(shù)篩選CHX19.3 互作蛋白,發(fā)現(xiàn)其互作蛋白中有1 個14-3-3 蛋白。研究克隆了10 個野生大豆14-3-3 家族基因,并進一步驗證GsCHX19.3與14-3-3 家族蛋白的相互作用,為深入了解其蛋白互作機制,揭示CHXs 調(diào)控耐鹽堿性的分子機制提供依據(jù)。
野生大豆G07256 由東北農(nóng)業(yè)大學植物基因工程研究室提供。酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)NMY51 菌株、大腸桿菌(Escherichia coli)DH5α 菌株、酵母雙雜交表達載體pBT3-STE、pPR3-N、pOst1-NubI、pTSU2-APP 和pNubG-Fe65 為實驗室保存。
從Phytozome(http://phytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html)下載擬南芥同源基因的蛋白序列,利用ClustalX 程序進行蛋白序列多重比對,利用SMART在線軟件(http://smart.embl -heidelberg.de/smart/set_mode.cgi?NORMAL=1)預測蛋白保守結(jié)構(gòu)域,利用SOSUI 在線軟件(http://harrier.nagahama-i-bio.ac.jp/sosui/)預測跨膜結(jié)構(gòu)域。
以pEASY-T3-GsCHX19.3 質(zhì)粒為模板,采用含SfiI 酶切位點的基因特異引物(FP:ATTAACAAGGCCATTACGGCCATGATGGCGACGAGTAACAACGCG和RP:AACTGATTGGCCGAGGCGGCCCCACTCGTTGGTGTGTCT)擴增GsCHX19.3 基因CDS 區(qū),PCR 產(chǎn)物回收后用SfiI 酶切,與SfiI 線性化的pBT3-STE 載體連接后轉(zhuǎn)化大腸桿菌。對陽性菌落進行PCR 鑒定,并提取質(zhì)粒進行酶切驗證,將陽性克隆送交測序。
采用LiAc 法,將pBT3-STE-GsCHX19.3 和pBT3-STE 分別轉(zhuǎn)化酵母細胞NMY51,菌液涂布于SD/-Leu 篩選培養(yǎng)基上,30 ℃培養(yǎng)4 d 獲得單克隆。采用pBT3-STE 載體通用引物(FP:5′- TGGCATGCATGTGCTCTG -3′ 和RP:5′ -GTAAGGTGGACTCCTTCT-3′)PCR 鑒定陽性轉(zhuǎn)化子。分別挑取3 個陽性克隆,用SD/-Leu 液體培養(yǎng)基活化,30 ℃振蕩培養(yǎng)過夜。將菌液濃度調(diào)整OD600=1.0,按1∶100 接種于SD/-Leu 液體培養(yǎng)基振蕩培養(yǎng),在培養(yǎng)4、8、12、16、20、24、48 h 測量OD600值,并繪制生長曲線。
采用表1 中的組合進行酵母共轉(zhuǎn)化,分別涂布于SD/-Trp-Leu、SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade 培養(yǎng)基上,30 ℃培養(yǎng)4 d 后觀察菌落生長狀態(tài)。統(tǒng)計每個反應在不同培養(yǎng)基上的菌落數(shù),計算SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade 菌落生長率即SD/-Trp-Leu-His 或SD/-Trp-Leu-His-Ade菌落數(shù)除以SD/-Trp-Leu 菌落數(shù)。其中反應3 為陽性對照,反應4 為陰性對照。若反應1 中酵母可以在SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade 培養(yǎng)基上正常生長,而反應2 不能生長,則誘餌蛋白拓撲結(jié)構(gòu)符合該酵母雙雜交系統(tǒng)。
采用Trizol 法提取野生大豆幼苗總RNA,經(jīng)DNase 消化基因組DNA 后,反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA。以cDNA 為模板,采用含酶切位點的基因特異引物(表2),用高保真聚合酶PCR 擴增野生大豆GsGF14s 基因CDS 區(qū),PCR 產(chǎn)物采用試劑盒回收。將PCR 產(chǎn)物和pPR3-N 質(zhì)粒分別進行雙酶切,連接后轉(zhuǎn)化大腸桿菌感受態(tài)細胞。對陽性菌落進行PCR 鑒定,提取質(zhì)粒進行雙酶切驗證,并將陽性克隆送交測序。
表1 GsCHX19.3 誘餌蛋白拓撲結(jié)構(gòu)分析Table 1 Analysis of GsCHX19.3 topological structure
表2 野生大豆14-3-3 蛋白GsGF14s 基因特異引物Table 2 Gene specific primers of wild soybean 14-3-3 genes GsGF14s
將pBT3-STE-GsCHX19.3 分別與pPR3-N(陰性對照)、pOst1-NubI(陽性對照)、pPR3N-GsGF14s 共轉(zhuǎn)化酵母NMY51,涂布于SD/-Trp-Leu 培養(yǎng)基,30 ℃培養(yǎng)4 d。分別采用pBT3-STE(FP:5′- TGGCATGCATGTGCTCTG-3′和RP:5′- GTAAGGTGGACTCCTTCT-3′)和pPR3-N(FP:5′- GTCGAAAATTCAAG ACAAGG-3′和RP:5′-AAGCGTGACATAACTAATTAC-3′)載體通用引物進行PCR 鑒定,獲得陽性轉(zhuǎn)化子。用SD/-Trp-Leu 液體培養(yǎng)基活化陽性克隆,將菌液濃度調(diào)整OD600=0.6,按1∶10、1∶100、1∶1 000 進行梯度稀釋,取1 μL 菌液分別點點至SD/-Trp-Leu、SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade 培養(yǎng)基,30 ℃培養(yǎng)4 d 后觀察菌落生長狀態(tài)。
前期研究克隆了野生大豆GsCHX19.3 基因全長CDS 區(qū)(2 442 bp),編碼813 個氨基酸,屬于Na+、K+/H+反向轉(zhuǎn)運體CHX 家族。通過多重序列比對發(fā)現(xiàn),GsCHX19.3 與擬南芥同源蛋白序列相似度較高(圖1A)。SMART 結(jié)構(gòu)域預測顯示GsCHX19.3 蛋白N端含有一個典型的Na+/H+exchanger 結(jié)構(gòu)域(圖1B)。
采用SOSUI 在線軟件預測GsCHX19.3 蛋白的拓撲結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)該蛋白N 端位于胞外,具有11 個跨膜結(jié)構(gòu)域,C 端則有1 個很長的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(圖2)。因此,研究選用針對膜蛋白的基于泛素分裂的酵母雙雜交系統(tǒng)進行蛋白互作研究。
圖1 GsCHX19.3 蛋白序列及保守結(jié)構(gòu)域分析Fig.1 Analysis of GsCHX19.3 protein sequences and conserved domains
圖2 GsCHX19.3 蛋白拓撲結(jié)構(gòu)預測Fig.2 Prediction of GsCHX19.3 topological structure
根據(jù)蛋白拓撲結(jié)構(gòu)預測結(jié)果,研究選用pBT3-STE 誘餌載體,將GsCHX19.3 蛋白C 端與Cub-Lex-A-VP16 融合表達,使Cub-LexA-VP16 位于胞內(nèi)(圖3A)。采用含酶切位點的基因特異引物擴增GsCHX19.3,與線性化的載體連接后轉(zhuǎn)化大腸桿菌。對陽性菌落進行PCR 鑒定(圖3B),并提取質(zhì)粒進行酶切驗證,得到與GsCHX19.3 基因大小相符的條帶(圖3C),證明GsCHX19.3 誘餌蛋白酵母雙雜交表達載體構(gòu)建成功。
圖3 GsCHX19.3 誘餌蛋白酵母雙雜交載體構(gòu)建Fig.3 Construction of GsCHX19.3 expression vector for yeast two hybrid assays
將pBT3-STE-GsCHX19.3 和pBT3-STE 分別轉(zhuǎn)化酵母細胞NMY51,測定重組酵母菌的生長曲線。如圖4 所示,兩種重組酵母菌在不同時間點的OD600值基本相同,生長曲線走勢大致相同,說明轉(zhuǎn)化pBT3-STE-GsCHX19.3 和pBT3-STE 的酵母細胞生長速度基本一致,即GsCHX19.3 蛋白的表達對酵母細胞無毒性,可進行下一步酵母雙雜交實驗。
圖4 GsCHX19.3 誘餌蛋白細胞毒性檢測Fig.4 Cytotoxicity detection of GsCHX19.3 bait protein in yeast cells
采用表1 中的組合進行酵母共轉(zhuǎn)化,分析重組菌在不同培養(yǎng)基上的生長情況,鑒定GsCHX19.3 蛋白的拓撲結(jié)構(gòu)。如圖5 所示,pTSU2-APP/pNubGFe65(陽性對照)重組酵母在SD/-Trp-Leu、SD/-Trp-Leu-His、SD/-Trp-Leu-His-Ade 培養(yǎng)基上均能正常生長(表3);而pTSU2-APP/pPR3-N(陰性對照)重組酵母在SD/-Trp-Leu 培養(yǎng)基上正常生長,但在SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade 培養(yǎng)基上不能生長。
含有pBT3-STE-GsCHX19.3/pOst1-NubI 的酵母細胞在SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade培養(yǎng)基上能正常生長,且菌落生長百分率均大于70%(表3)。這一結(jié)果表明,與拓撲結(jié)構(gòu)預測結(jié)果一致,GsCHX19.3 蛋白C 端位于胞內(nèi),當GsCHX19.3-Cub-LexA-VP16 重組蛋白的Cub 與Ost1-NubI(即未突變的Nub)結(jié)合形成完整的泛素后,可釋放Lex-A-VP16,使其進入細胞核激活報告基因表達。這一結(jié)果表明GsCHX19.3-Cub-LexA-VP16 融合蛋白的拓撲結(jié)構(gòu)符合該酵母雙雜交系統(tǒng),可進行下一步實驗。含pBT3-STE-GsCHX19.3/pPR3-N 的酵母細胞在SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade 上均不能正常生長,說明GsCHX19.3-Cub-LexA-VP16 不能與突變的NubG 結(jié)合,報告基因不能表達(圖5),說明SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade 篩選培養(yǎng)基可作為下一步酵母雙雜交實驗的篩選條件。
圖5 不同反應的重組酵母在不同選擇培養(yǎng)基上的生長情況Fig.5 Growth performance of transformed yeasts on different SD medium
表3 GsCHX19.3 蛋白拓撲結(jié)構(gòu)驗證Table 3 Identification of the topological structure of GsCHX19.3 protein
前期對大豆14-3-3 家族分析發(fā)現(xiàn),該家族存在大量的基因復制現(xiàn)象,且同組內(nèi)14-3-3 蛋白的序列相似度非常高[11]。為了分析GsCHX19.3 與14-3-3 家族蛋白的相互作用,研究根據(jù)家族進化關(guān)系選取了其中10 個GsGF14s 基因進行研究。
前期研究表明大豆GsGF14s 蛋白定位于細胞質(zhì)或細胞核[12],且利用HMMTop 在線軟件預測未發(fā)現(xiàn)任何跨膜結(jié)構(gòu)域。因此研究選用pPR3-N 表達載體,使NubG-GsGF14s 進行融合表達(圖6A)。以野生大豆cDNA 為模板,采用含酶切位點的基因特異引物擴增GsGF14s 基因,與線性化的pPR3-N 載體連接后轉(zhuǎn)化大腸桿菌。對陽性菌落進行PCR 鑒定(圖6B),并提取質(zhì)粒進行雙酶切驗證,酶切得到與目標基因大小相符的條帶(圖6C),證明GsGF14s 基因酵母雙雜交表達載體構(gòu)建成功。
為了研究GsCHX19.3 與14-3-3 家族蛋白的相互作用,將pBT3-STE-GsCHX19.3 分別與pPR3-N(陰性對照)、pOst1-NubI(陽性對照)和pPR3N-Gs-GF14s 共轉(zhuǎn)化酵母。將重組菌活化后菌液濃度調(diào)平至OD600=0.6,按1∶10、1∶100、1∶1 000 梯度稀釋后,分別點點至SD/-Trp-Leu、SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade 培養(yǎng)基。如圖7 所示,pBT3-STEGsCHX19.3/pOst1-NubI 重組酵母在SD/-Trp-Leu、SD/-Trp-Leu-His、SD/-Trp-Leu-His-Ade 培養(yǎng)基上均能正常生長,而pBT3-STE-GsCHX19.3/pPR3-N 重組酵母在SD/-Trp-Leu 培養(yǎng)基上正常生長,但在SD/-Trp-Leu-His 和SD/-Trp-Leu-His-Ade 上不能生長。
除GsGF14f 外,其余pBT3-STE-GsCHX19.3/pPR3N-GsGF14s 重組菌均和陰性對照一樣,在SD/-Trp-Leu 培養(yǎng)基上正常生長,但在SD/-Trp-Leu-His和SD/-Trp-Leu-His-Ade 上不能生長。而含pBT3-STE-GsCHX19.3/pPR3N-GsGF14f 的重組菌在SD/-Trp-Leu、SD/-Trp-Leu-His、SD/-Trp-Leu-His -Ade培養(yǎng)基上均能正常生長。上述結(jié)果表明,10 個野生大豆14-3-3 蛋白中,只有GsGF14f 和GsCHX19.3 蛋白具有相互作用,說明GsCHX19.3 和14-3-3 蛋白的相互作用具有特異性。
圖6 GsGF14s 基因酵母雙雜交表達載體構(gòu)建Fig.6 Construction of GsGF14s expression vector for yeast two hybrid assays
圖7 酵母雙雜交分析GsCHX19.3 與14-3-3 蛋白相互作用Fig.7 Y2H identification of protein interaction between GsCHX19.3 and GsGF14s
隨著生物信息學和功能基因組學的飛速發(fā)展,科研工作者已從多種植物中鑒定了CHXs 基因家族,并揭示了其在生長發(fā)育和逆境應答中的重要角色[13]。如AtCHX16-19 參與植物生殖生長和種子發(fā)育調(diào)控過程[13]。AtCHX20 在保衛(wèi)細胞中高表達,調(diào)控氣孔開關(guān)[10]。AtCHX21 調(diào)控木質(zhì)部Na+平衡和葉片中Na+積累[14]。然而,CHXs 基因究竟如何發(fā)揮功能?目前研究僅關(guān)注于其在離子轉(zhuǎn)運和pH 平衡中的作用,尚未有研究報道CHXs 蛋白是如何被調(diào)控的。利用酵母雙雜交技術(shù)篩選鑒定互作蛋白,是研究基因分子機制的一種有效途徑[15-18]。與免疫共沉淀、Pull down 等其他體外分析蛋白互作的技術(shù)相比,酵母雙雜交具有操作簡便、快速高效等特點。
在前期研究中,課題組利用野生大豆轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)[19],篩選獲得了鹽堿脅迫應答的GsCHX19.3基因。該基因與擬南芥同源基因高度相似(圖1A),其蛋白N 端含有一個典型的Na+/H+exchanger 結(jié)構(gòu)域(圖1B)。我們前期利用酵母雙雜交技術(shù)篩選GsCHX19.3 互作蛋白,發(fā)現(xiàn)了一個14-3-3 蛋白。研究進一步鑒定了GsCHX19.3 和大豆14-3-3 家族蛋白的相互作用特異性。
由于CHXs 蛋白一般定位于膜系統(tǒng),而膜蛋白的正確折疊往往需要特定的疏水性環(huán)境,否則其結(jié)構(gòu)和功能將會改變,蛋白相互作用也將會受到抑制。分離泛素酵母雙雜交系統(tǒng)通過待檢測蛋白質(zhì)間的互作,將突變的泛素N 端NubG 和C 端Cub 融合,使報告蛋白LexA-VP16 解離入核,從而激活報告基因表達[20-23]。與傳統(tǒng)的酵母雙雜交技術(shù)相比,分離泛素系統(tǒng)的蛋白互作不再局限于核內(nèi),更適合于膜蛋白相互作用研究。GsCHX19.3 蛋白拓撲結(jié)構(gòu)預測顯示其具有11 個跨膜結(jié)構(gòu)域,N 端位于胞外,C 端位于胞內(nèi)(圖2)。因此,研究采用針對膜蛋白的基于泛素分裂的酵母雙雜交系統(tǒng)[16,24],選用pBT3-STE 作為誘餌載體,使GsCHX19.3 蛋白C 端與Cub-LexA-VP16 融合表達(圖3)。酵母生長實驗表明GsCHX19.3 蛋白對于酵母細胞生長無毒性作用(圖4),GsCHX19.3 蛋白C 端位于胞內(nèi)。當GsCHX19.3-Cub-LexA-VP16 重組蛋白的Cub 與Ost1-NubI 中未突變的NubI 結(jié)合形成完整的泛素后,釋放LexA-VP16,使其入核激活報告基因表達(圖5)。
14-3-3 蛋白是一類廣泛存在的、高度保守的蛋白家族,在植物生長發(fā)育和逆境應答中發(fā)揮重要作用[25-27]。大豆中共發(fā)現(xiàn)18 個14-3-3 蛋白,分別命名為GsGF14a-p[9]。其中,GsGF14c 和GsGF14l 在大豆根瘤形成的早期階段和異黃酮合成過程中起著關(guān)鍵作用[28-29]。我們前期也發(fā)現(xiàn)GsGF14o 參與調(diào)控根毛和氣孔發(fā)育,以及對ABA 和干旱脅迫的應答過程[30]。研究表明14-3-3 蛋白往往通過與其他蛋白相互作用,增強或抑制靶蛋白的催化活性,或調(diào)節(jié)靶蛋白在細胞內(nèi)的定位,或影響靶蛋白與其他蛋白的相互作用,或保護靶蛋白被降解[31]。例如大豆中,GmMYB176、GmMYB62 和GmMYB173 能夠與所有14-3-3 蛋白互作,且SGF14l 能通過蛋白互作,調(diào)控MYBs 在細胞內(nèi)的定位[29,32]。擬南芥14-3-3λ 能夠與SOS2 互作抑制SOS2 活性,使其無法激活Na+/H+反向轉(zhuǎn)運體SOS1[33]。此外,14-3-3 蛋白也能夠與H+-ATPase 相互作用調(diào)控植物對堿脅迫的應答過程[34-35]。
研究中我們鑒定了10 個野生大豆14-3-3 家族蛋白與GsCHX19.3 的相互作用,發(fā)現(xiàn)只有GsGF14f能夠與GsCHX19.3 互作(圖7)。這一結(jié)果說明與MYB 轉(zhuǎn)錄因子不同,GsCHX19.3 與14-3-3 蛋白的相互作用具有特異性。但我們未能在GsCHX19.3 氨基酸序列中找到14-3-3 蛋白結(jié)合的典型模序RSXpSXP 和RXY/FXpSXP[36]。因此推測GsGF14f 可能是通過識別非磷酸化的序列與GsCHX19.3 互作。
在今后的研究中,將進一步利用BiFc 或CoIP 技術(shù)驗證GsGF14f 與GsCHX19.3 蛋白相互作用,并著重關(guān)注以下3 個問題:GsGF14f 與GsCHX19.3 互作的識別序列是什么?GsGF14f 對GsCHX19.3 蛋白的調(diào)控作用又是什么?GsGF14f 基因是否和GsCHX19.3一樣,調(diào)控植物對鹽堿脅迫的應答過程?
構(gòu)建了pBT3-STE-GsCHX19.3 誘餌載體,其在酵母體內(nèi)表達的GsCHX19.3-Cub-LexA-VP16 融合蛋白對酵母菌沒有毒性,且拓撲結(jié)構(gòu)符合該酵母雙雜交系統(tǒng)。酵母雙雜交結(jié)果顯示,只有GsGF14f 能夠與GsCHX19.3 蛋白互作,其余14-3-3 蛋白與GsCHX19.3 均不存在相互作用,即GsCHX19.3 與野生大豆14-3-3 蛋白互作具有特異性。